CN1136246A

CN1136246A - 具有传送和接收业务信道的光通信方法

Info

Publication number: CN1136246A
Application number: CN96102975A
Authority: CN
Inventors: 亚德里亚诺·纳瓦; 马里奥·塔姆布雷罗
Original assignee: Pirelli Cavi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1996-11-20
Also published as: AU709302B2; ITMI950615A0; KR960036396A; JPH08340300A; HU9600785D0; CZ90696A3; HUP9600785A2; BR9601484A; MX9601140A; MY132150A; HU217754B; AU5031996A; CA2172761C; ITMI950615A1; PE49097A1; TW289886B; NO961234D0; EP0735705A1; AR001459A1; IT1274368B

Abstract

一个数字光通信方法包括在光发射站中产生数字调制光信号，该信号对应携带一段信息的第一电输入信号；把调制光信号送到光纤线路上；在光接收站上接收由光纤线路传来的调制光信号，把它变成电信号并且产生第二数字电信号；调制光信号用具有第一频率的基本信息单元编码。产生第二数字电信号的步骤包括在转换后的信号中检测具有高于第一频率的第二频率的电信号并且进行比较，证实预定条件下对应的结果来识别具有第一频率电信号的相位。

Description

具有传送和接收业务信道的光通信方法

本发明涉及光通信系统，特别是涉及含有光纤传输线的通信系统，其中为业务通信提供了一个独立的信道，它包括一个数据传送单元和一个数据接收单元，用于在所述的业务信道上传送或接收数据。

适合于使通信信号远距离传输光纤通信系统，除提供有任由用户处置的用于交换信号的信道、还有能传送业务信号的独立信道。

这些业务信号可以是各种类型的，例如：沿线装配的设备—像中继器或放大器的命令或控制信号，或者是在线路工作的维修人员与中间站或线路本身的终端之间的通信信号等。

对于业务信号，一个与通信信道的频带相比是有限的传输频带通常是足够的，例如，在总传输速率是300Kb/s的情况下，相信业务信号在单一数字信道上编码就足够了。

在光纤通信系统中，沿线信号衰减的补救必须通过分段放大信号实现。沿传输线上以固定的区间安装使用光放大器被证明是方便的。

这样的放大器—可以通过使光纤掺杂荧光物质并变光学泵浦来制成—能够放大光信号而不必把它的转换成电信号形式。

在这些线路中不能用已知的电子设备把信号从它们传输的光纤中提取或插入，因为即便是靠近放大器的地方信号也是以光学形式存在。同一申请人的美国专利5,113,459号描述了一种有沿线光放大器供选择的光通信系统，其中业务信道的插入和提取是用选色耦合器完成的。

这一系统也提供了与选色耦合相联的发送和接收单元，适合于从线路中接收光业务信号，把它们变成电信号并以电子方式加以放大，收到这些放大了的电信号后，再把它们转换成相应业务信道波长的光信号并分别把它们送到线路中。

为了用选色耦合器把各个信号分离开，选定的业务信道的波长明显不同于通信信道。此外，为了降低业务信道的衰减，这一波长实际上是选在与光纤的光谱衰减曲线的极小值点重合或是有很小偏离的位置上。

在通信信号波长实际上是包括在1500和1600nm(对石英光纤称为“第三窗口”)之间和业务信道波长在“第二窗口”—对石英光纤是位于相对衰减最小的1300nm附近，业务信号所经受的衰减要远远大于通信信道的衰减。

事实上，在第二窗口波长上，对于实际使用的石英玻璃光纤其衰减系数的典型值是在0.37和0.41dB/km之间，而对应的位于第三窗口中波长的典型值约是0.2dB/km。

两个放大器之间或是一个终点站和一个放大器之间的线长是由给定通信信道波长上所可以接受的最大衰减值决定的，这本身也与那些波长上所可得到的最大增益有关。

对于目前使用的光放大器，这一最大增益约是25-30dB。

两个放大器之间沿线上对给定业务信道波长的总衰减值，例如，可能达到高于50dB的值。

为了产生用于业务信道传输的辐射，这里使用了半导体激光器。半导体激光器以第二窗口波长辐射的典型输出功率大约是1mw(0dBm)、不能期望激光器有更大的输出功率，因为成本太高。

考虑到随时间推移激光器输出功率的降低和沿传输线上无源光学器件的老化，在接收器端还要有8dB的功率下降。

因此，传输数字信号，尤其是业务信号，在接收器功率有限的情况下，沿整个光通信线要以足够低的误码率接收到它们是有问题的。

本发明的第一方面是由一个数字光通信方法构成的，其包括步骤：

—接收携带有光发射站信息的第一电信号，对应所述的电信号产生一个数字调制预定波长光信号；

—把所述的调制光信号馈送到在所述波长处有预定的单一衰减的光纤线上；

—在光接收站，对给定的光功率大小接收从所的光纤线传出的调制光信号，把它变成电形式，并产生第二数字电信号；

其特征在于：

—所述的产生调制光信号的步骤包括按与所述信息单一相关的基本信息单元的顺序对第一电信号的每一给定信息进行编码，所述的信息单元是按照第一个预先给定的时间周期率一个接一个出现；并且，

—所述有产生第二数字电信号的步骤包括在变换了信号中检测。有比第一时间周期率要高的第二时间周期率的电信号，并且通过把接收到的基本信息单元序列与至少一个参考序列作比较并确认给定条件下比较的结果在所检测信号中识别以第一时间速率传送的电信号的相位，第二时间速率最好是第一时间率的倍数。

在一个优选的方案中，上述产生调制光信号的步骤包括：产生一个具有第二时间率的第三数字电信号，它开始于以预定的第一时率一个接一个出现的基本信息单元序列。所述的调制光信号通过用第三数字电信号调制相干辐射源发出的光束产生就更有利。更便利点，上述第三数字电信号可以通过调制位相的具有第二时率的载波来产生。

上述的把接收到的光信号转换成电信号的步骤最好包括，检测接收到的光信号，把它变成电信号，把电信号滤波并加以放大。

上述参考序列最好是用第一时率。

在具体过程中，上述在检测的信号中识别以第一时率传送的电信号的相位的步骤包括：

—以第一时率和随机相位产生一个计时信号；

—在上述以第一时率传送的计时信号的每一周期中确定与计时信号的前沿不同时的以第二时率传输的电信号的前沿；

—分别用反号法统计在第一和第二个半周期中检测到的前沿个数；

—对几个连续的周期累计上述的统计结果；

—把和数与至少一个预定值作比较；

—对异常值，把计时信号的相位依照第一时率作调整；

上述产生第二电信号的步骤最好包括，在第一时率的第一周期中识别在所检测的电信号基本信息单元序列中的信息单元。

在具体实施例中，上述接收第一电信号的步骤包括，接收预定数量的从比第一时率低的第三时率传输的辅助数字电信号并把它们复用以形成一个以第一时率传输的数据电信号。

上述具体实施例最好包括这样的步骤，从第二数字电信号中提取具有第三时率的计时信号，从第二数字电信号开始，基于以第三时率传输的计时信号重构与辅助电信号相同数量的数字电信号。

在具体实施例中，上述预定波长包括在1200nm和1400nm之间。

在一具体方案中，上述预定单一衰减值在0.37dB/km和0.41dB/km之间。

本发明构成数字光通信方法的第二方面包括下列步骤；

—用不同的形式对从输入口以第一时率传出的数字电信号编码；

—用上述编码信号调制以是第一时率的倍数的第二时率传输的载波的位相；

—用上述载波调制以预定波长发射的激光；

—把从激光器发出的信号馈送到光纤线路的一端；

—在光纤线路的另一端接收上述光信号；

—以转换成电信号的方式检测光信号；

—放大上述电信号；

—滤波上述放大了的电信号以除去以所述第二时率为中心的一个频带以外的光谱成分；

—把上述经过滤波的信号变成数字形式；

—产生一个与上述数字化信号时间相关的、以第二时率传输的计时信号；

—对上述信号作抽样；

—对上述抽样信号作微分解调；

—产生一个具有第一时率的重现数字信号；

—把上述重建数字信号馈送到输出口；

其特征在于，上述产生一个具有第一时率的重建数字信号的操作包括下列步骤：

—产生一个具有第一时率和随机相位的计时信号；

—在计时信号的每一周期中检定与计时信号前沿不同时的所说调制信号的前沿；

—用反号法分别统计在第一和第二半周期中检测到的前沿数；

—在多个连续的周期上累加上述的统计结果；

—把上述的和数至少与一个预定值作比较；

—对异常值，参照第一时率调整计时信号的相位；

本发明的构成光通信系统的第三方面是：

—有一个光发射站，适于接收具有第一频率的第一电信号，对应所述的第一电信号产生一个调制光信号，其光信号有预定的波长；

—一个光接收站，适于接收上述的调制光信号，并产生一个具有上述第一频率的第二电信号，还包括把上述光信号变成电信号的装置；

—用光信号的传输把发射站和接收站联在一起的光纤线路；

其特征在于：

—上述发射站包括以比第一频率高的频率调制第一电信号的装置；

—上述接收站包括：

·一个检测电路，包括一个有预定灵敏度的光探测器；

·一个解调电路，包括：

*一个识别电路，用于识别第三电信号的相位，并有，

*一个判断电路，它是由所述的识别电路控制的，适于产生上述的具有第一频率的第二电信号，其中的位误差率(BER)优于10^-5，进入光接收站的光信号功率低于少于上述给定灵敏值的预定光功率。

在一个实例中，上述预定波长是包含在1200和1400nm之间。

在一个优选方案中上述预定光功率至少要比上述预定灵敏值低6dBm。

在一个优选实例中，上述第一频率不小于200KHz第二频率最好是第一频率的倍数。

本发明的第四方面包括至少一个通信信号发射站，一个接收站，一个联接发射和接收站并且至少有一个光放大器的光纤线路，接受光业务信号的装置，把光业务信号从线路上的光纤上分别提取和送上去的装置，这就是说包括至少一个光业务信号发射和/或接收单元，这一单元适于从光路上接收和/或向相同光路上发射，业务信号是由以电方式加到单元或从单元自身提取的通信或控制信号，其光信号形式具有明显区别于通信信号波长的业务信号波长，这一单元与沿线接入的有关光耦合器相连，它能耦合线路光纤中的光业务信号和/或提取信号，至少一个接受或提取光业务信号的装置是与至少一个光放大器相联。

其特征在于这个光信号发射和/或接收单元包括：

—一个光发射站，适于接收通信或控制信号，产生一个具有业务波长、包含所述的通信或控制信号的调制光信号，把所述的光信号发送到各自相关的耦合器中；

—一个光接收站，适于从各自相关的光耦合器上接上述业务波长的光信号并产生上述的电通信或控制信号，这个站包括把上述接收到的光信号变成电信号的装置；

其中上述的发射站包括：

—产生具有第一频率的第一电信号的装置；

包括上述的通信或控制信号，

其中上述的光接收站包括：

—一个检测电路，包括一个适于以上述接收到的光信号产生一个第二电信号的光探测器；

—一个解调电路，包括：

*一个识别电路，用于识别上述第二电信号的相位；

*一个判断电路，它由上述识别电路控制，适于产生一个具有第一频率的第三电信号，包括上述的用于发射和/或接收单元的通信或控制信号；

*一个分离电路，适于产生上述的用于发射和/或接收单元的电通信或控制信号，是从上述的第三电信号开始；

更具体的内容从下面的描述中就清楚了，请参考附图，其中：

—图1是说明本发明的光发送单元的框图；

—图2是本发明的设备使用的帧结构图；

—图3是本发明的光接收单元的第一部分的框图；

—图4是光接收单元第二部分的框图；

—图5用于图4的设备中的一个锁相环的框图；

—图6是本发明的一个线路终端的框图；

—图7是本发明光通信系统的框图；

—图8是实验中采用的结构框图；

—图9是实验中接收的光信号的眼图；

—图10A到10F是实验中接收器不同光功率接收到的光信号的眼图；

—图11是取决于接收端光功率的BER曲线；

下面描述本发明的光数字信号发射单元，请参考图1。

在一个方块图中，一个对具有相同频率f₁的给定数量的数字形式电信号的输入接口用参考数码210标识，在这个图中，三个数字信号201，202，203作为参考辅助信号标在分别形成接口210的同步电路207，208，209的输入端，下面的描述是在三个辅助信号被传输的情况下进行，但是这个设备可以用于任何其它数量的辅助信号的情况下，熟悉本领域的人能够完成必要的改动。

对所有的辅助信号，对应状态“0”和“1”的电压值是相同的，最好是已知的标准给定的值。

同步电路207，208，209，起的作用是同步辅助信号，输出11，12，13分别再生各自已延迟的使其前沿与共用计时信号在一条线上的输入信号，这个输入信号在各自的端口14，15，16，上是由输入频率为f₁的方波构成的，它是来自计时电路30。

频率为f₁的计时信号(204，205，206)也被发送到产生辅助信号201，202，203，的单元中，以用同一频率同步这些单元。

作为同步电路207，208，209，可以用市场上能买到的器件。例如，像根据CCITT标准称为V11的接口或EIA标准，称为RS422的接口等，在方案中为信号提供方向性计数计时。

来自输入接口210的同步的数字信号被送到复用器20的输入口21，22，23。

所谓复用器是一个数字电路，它能接受一定数量的数字输入信号并把它们结合在一起形成一个作为集合信号的单独信号，其频率为f₂是f₁的倍数，这个信号含与输入信号相关的所有信息，还有足以使信号再相互分离开的同步性信息。

本发明的设备中用的多路复用器20是用于把带自端口21，22，23的输入信号按照固定的时间格式结合在一起—参考框图(图2)—以形成一个频率为f₂的集合信号，f₂是由从计时电路30的端口32到端口24的方波构成的同步信号的频率。频率f₂的选择要满足关系式：

f₂＝(n+m)·f₁

式中n是复用器20的输入信号数，对应辅助信号数，m是大于零的整数，与组合信号帧中的同步性密度有关。

复用器在时间上把n个输入信号的每一个都分成位数是一个给定数P的n个字，并且在P·(n+m)位的一个字的给定位置处复制每个字的每一位，称为集合字，在集合字中，P同步位的m个字被插入，这对于在接收步骤中重建对应不同辅助信号的数位的位置是必要的。然后集合字被以频率f₂依次传送到复用器的输出端口25。这一把输入信号的字复合成集合字的过程是周期性重复的，所以能从端口25得到频率为f₂的集合数字信号。传输一位集合数字信号所需的时间—它是频率f₂的倒数—被称为符号区间。

在由申请人做的器件中，n＝3个辅助信道被组合在一起，选值m＝1，那么选f₂＝4·f₁，每个字的位数定在P＝8。

这个器件中用的帧结构如图2所示，这样定是为了简化后面的解码过程。

在所述的帧中，三个输入信号的字的相应位分别用AQ…A7，B0…B7，C0…C7表示，同步字的位用S0…S7表示。

所述的帧结构很容易扩展到不是三个而是多个要组合的信号的情况下。

复用器20的端口25的集合输出信号被送到一个微分编码电路36的端口37上，这个电路也接收来自计时电路30的端口33的频率为f₂的同步输入信号。

微分编码电路36，从集合信号开始产生一个同频的编码数字信号，这个编码信号对集合信号逻辑电平为“1”的每个位改变其逻辑电平(即：涉及逻辑电平与前面位相反的位)并且对集合信号的每个“0”位保持电平不变(即：涉及与前面位值相同的位)，这个编码数字信号从电路36的端口39输出。

微分编码电路36可以用T型触发器制成。

除了已提到的计时信号外，计时电路30还产生一个由方波构成的计时信号，其频率为：

f₃＝q·f₂

式中q是一个大于等于2的整数，最好是q≥4。在申请人制做的器件中选择q等于16，这一信号可以从端口34得到。

计时电路30中所产生的所有计时信号都是从一个由振荡器35产生的频率为2·f₃的信号开始的。

根据已知的技术制做的调制电路40，在输入口41接收来自编码电路36的端口39的调制信号。并调制输入到端口42的频率为f₃的计时信号的相位。相位调制信号从调制电路40的端口43发送出去。

频率f₃和f₂之间的比值q决定了由调制引入信号的冗余度。

相位调制信号对应一系列频率为f₃的方波群，每个包括q个方波周期，每个群的相位在集合信号的每位“1”处发生改变，而在集合信号的每个“0”处保持不变。

这一调制技术，现在称作DPSK(差动相移键控)，通常是用在通过在传统型电话线上工作的调制解调器的数字信号的传输或是通过卫星的传输上。

多路复用器20，微分编码电路36及调制电路40可以由一个单独的可编程逻辑器件构成例如，XC3030型，它是由位于2100-logic Drive，San Jose.CA(US)的XILINX公司生产的。

相位调制信号是用来调制相干辐射源40-例如，半导体激光器—发出的辐射强度，这要通过一个根据现有技术制成的引导电路45来实现。引导电路产生必要的电流强度以使激光器在相位调制信号的逻辑“1”或是“0”处进入到辐射态或是低于阈值态。

从激光器发出的辐射用光纤49来耦合。

相干辐射源46可以由辐射频带在1300nm左右的半导体激光器来充当，例如，GaInAsP激光器，像QLM-3S-861-002型，它是由LASERTRON公司生产的，位于37North Ayenue，Burling-ton，MA(US)。

这个型号包括一个珀尔帖(Peltier)盒来冷却激光器，一个热敏电阻来测量温度及一个光电二极管来监视输出功率，其特征是辐射波长在1290和1330nm之间，最大输出功率2.5nw。

光发送单元还包括一个电路47来自动控制激光器46的输出功率及一个器件48来自动控制其温度，这个电路和器可以利用集成到激光器盒中的功率或温度传感器，像上述型号中那样。

在由申请人制做的器件中，功率控制电路47被做成使沿一条被光纤49连接到激光器，也连接到一个熔融光纤选色耦合器上的光纤线路传送的光功率是0dBm，利用电路48，激光器温度保持在25℃左右。

本发明接收数字信号的光单元，适于接收和解码由上述发射单元传来的信号，现在要对它作描述，请参考图3和4。

具体情况下，图3所示是光接收单元的第一部分，包括光信号的检测、放大和解调部分。

在块图中，标为60的光探测器是由光电二极管50和前置放大器51构成、前置放大器最好与光电二极管集成在一起，它用于在与光电二极管耦合的光纤59的输入端检测给定波长的光信号并把它变成电信号，执行电信号的第一级放大。

光电二极管50和前置放大器可以由含砷化镓(GaAs)场效应管(FET)的PIN-FET探测器构成，例如，QDFB010-001型，可以从前述的LASERTRON公司买到，这个探测器是把作为前置放大器的砷化镓场效应管与PIN型光电二极管集成在同一衬底上。

它的额定灵敏度能达到-50dBm，尽管可买到的商业产品中不能排除有劣于此值的情况。额定灵敏度的计算是作为基带传输情况下，保持BER低于10^-9所必需的输入光功率，其中误差率BER是指通信中接收到错误位的可能性。

申请人注意到，在设备中能够使用一种PIN-FET探测器—它含有砷化镓场效应管(接收噪声与频率成反比，因而低频时高)来代替，例如，含有硅场效应管的探测器(其低噪声是周知的，尽管市场上难以买到)，这是依靠所用的，把传输从集合数字信号的低频段移到其中心约在频率f₃处的载波频段的调制技术，还依靠通过选择f₃是频率f₂的倍数而引入的冗余度。在载波频段探测器噪声被降低到能够以降低了的BER探测到功率低于探测器额定灵敏值的光信号。由于冗余性，甚至在存在频率为f₃的数字信号残余噪声的情况下集合数字信号也能被重建，因此，甚至在接收光功率低于探测器灵敏值的情况下，具有足够低的BER的接收也能达到。

因此，在使用高灵敏度探测器的情况下，本发明中能够使用有较大衰减的传输线(例如，较长的线或不同传输波长的线)，或者低功率激光光源。

图3中的方块61表示一级放大和变换到数字形式阶段，它包括一个带通滤波器、一个高增益放大器、一个阈值电路和一个自动增益控制电路。

用52表示是一个带通滤波器，用于除去不同于载波调制频段的频率噪声，它的通带是居中于传输单元的频率f₃处，并且宽于传输单元中给与的载波调制频带。

滤波器52的通带宽可以按照4·f₂选择。

因此，高增益放大器53与自动增益控制电路55一起把滤波后的信号放大到足够高的电平，以便能转换成数字形式。阈值电路54进行这一转换，它每当放大了的信号超过了一个预定的阈值就产生一个逻辑“1”，低于阈值产生逻辑“0”。

带通滤波器52、高增益放大器53、阈值电路54和自动增益控制电路55都是传统型的，可以根据已知的电路技术制成。尤其要在电路中应用必要的测量以避免来自周围环境和邻近电路的电噪声耦合进去，尤其在发射单元和接收单元是做在一个单独的印刷电路板上以形成一个线路终端的情况下，发送单元的电路更要注意，下面将作解释。

放大器53要求的增益是与所使用的光探测器的增益相关联的。在使用所推荐型号的探测器的情况下，前置放大器51、滤波器52和放大器53的总增益必须接近或高于100dB，放大后并变成数字形式的信号被送到解调级、在图3的方块图中用62表示。

这一级包括一个计时—重建电路、一个同步电路和用于相位差解调的电路。

计时—重建电路56产生一个由频率为2.f₃的方波构成的计时信号，其相位被周期性地锁到来自放大级61的数字信号相位上。

一个锁相环(称为PLL)可以被使用作计时—重建电路56。来自放大级的数字信号被抽样电路57以与计时信号63同步的方式被抽样，抽样电路57可以由D型触发器构成。

由58表示的是一个相位差解调电路，它在输入端接收来自抽样电路57的数字形式的抽样信号及来自计时—重建电路56的频率为2.f₃的计时信号63。电路58顺序处理抽样信号的各个位，把它们与一个延迟了一个符号间隔(即：2.q位)的相同信号的变型信号作比较并且在位改变了的情况下在输出端提供一个逻辑信号“1”、位不变的情况下提供“0”。相位差解调电路58的输出信号被表示为标准数字信号64。

电路58用一个由计时信号63控制的充当延迟线的移位寄存器、一个异或哐门来构成。移位寄存器包含2.q个位，这是对应集合数字信号的一个符号间隔的位数。来自抽样电路57的数字抽样信号同时被送到移位计数器的输入口和异或门的一个输入口，异或门把数字抽样信号与来自移位寄存器输出端、延迟了一个符号间隔的数字抽样信号的变体信号作比较，在XOR门的两路输入不同的情况下，也就是在同步数字信号的一个位相对于前述的位变化了一个符号间隔的情况下，异或门就输出逻辑信号“1”，而在异或门两路输入信号相像时，输出逻辑信号“0”，这也就是以一个符号间隔距离定位的各个信号位的逻辑值保持不变的情况。

因此，异或门对每一变化位产生一个“1”，对每一不变位产生一个“0”，这与在发射单元中用于微分编码的帧图的互补图相对应。

通过在发送/接收单元中使用集合数字信号的微分编码/解码技术，与传统技术相比，接收器结构被大大简化了，在传统技术中要重建信号的绝对相位，还需要一个有非常稳定相位的本地振荡器。

图4所示是本发明的光接收单元的第二部分的方框图，这一部分包括，一个数字锁相环，一个判断环路，一个辅助信号的去复用级和一个输出单元。

如果传输过程中没有噪声存在，接收单元的第一部分的输出口上的接收数字信号64应该是一个频率为f₂的信号，这个信号在发送单元用以再生集合数字信号。

但是，在接收器的输入口有很大的噪声，主要是由于沿用于传输的光纤线路上光信号有很大的衰减，这就把输入探测器的光信号功率降到了低于所述控制测器的额定灵敏值。

由于噪声，接收信号64有一个频率为f₃与频率为f₂的集合信号相迭加的寄生信号。因为在传送阶段，集合信号已被乘以系数q的频率调制成冗余信号，也就是一位集合信号的传输是用q位，申请人已注意到，如果对接收信号64进行处理以便找出与接收信号有最大迭加、频率为f₂的数字信号，那么，重建集合数字信号是可能的。

尤其注意到，这种处理可以分两步完成：

—与标准信号有最大迭加、频率为f₂的计时信号的重建；

—基于重建的符号间隔中标准信号的2.q个位的逻辑值(即：在频率为f₂的重建的计时信号的一个周期中)，确定那个间隔中代表最大次数的逻辑值。

如此重建的逻辑值就对应那个间隔中集合数字信号的最相似的逻辑值。

包括这两步的处理过程可以直接在一个连续的电路中完成。

与接收的数字信号有最大迭加、频率为f₂的计时信号的相位重建可以由一个数字锁相环70完成，这锁相环在输入口71接收频率为2.f₃的计时信号63、在输入口72接收的数字信号64、并且产生频率为f₂的计时信号74，重建信号可以在输出口73上得到。

根据图5，锁相环70可以由一个分频电路65和一个相位比较电路75构成。

分频电路65在输入口171接收频率为2.f₃的计时信号63，依照一个系数2.q进行频率分割，并把频率为f₂的计时信号74发送到输出口173。传送到相位比较器75的输入口174的计时信号74在电路75中与接收的数字信号64作比较，如果两个信号的相位没有表现出最大程度的迭加，电路75就从输出口175或176分别发一个信号到分频器的输入口177或178，以便延迟或提前计时信号74的相位。

相位比较器电路75包括一个加/减型计数器。计数器接收来自接收信号64前沿的计数脉冲。如果在输入口174上频率为f₂的计时信号74是逻辑“1”，计数器就在接收信号64前沿到来时把总计数值增加一个单位：相应地，如果输入到端口174频率为f₂的计时信号是逻辑“0”，计数器就把标准信号64前沿的总计数值减少一个单位。

当接收信号64的前沿位于计时信号74的前沿处时，加/减计数器的计数被禁止。

在这种方式中，这样的次数被作了计数，在这个计数值中，对应方波74的每一个半周期，有一些不同于方波74的逻辑电平的数字信号64的位，并且两个和数的差也被作了计算。统计上期望两个和数是相同的，因为错误位在时间上是均匀分布的。因此，计数和数不会偏离0点过大，即使是在有错误位、锁相及±q的阈值没有超过的情况下也是如此。相反地，如果计时信号74的相位不同于分配给接收信号64的相位，接收的信号64的前沿没有被从计数中排除，因为它已经不在计时信号74的前沿处了；上/下计数器对有错误位的接收信号的前沿作计数，当过了一定的计时信号74的周期数后，沿两个计数方向之一的±q阈就被超过了，超阈信号就产生了。

同时上/下计数器清零。

如果超阈发生在负计数方向，一个信号被从电路75的输出口175送到电路65的输入口177，这个信号使分频电路65不能计数达计时信号63的一个周期长的时间，从而，计时信号75的相位就延迟了同一周期长。

如果超阈发生在正计数方向，一个信号被从电路75的输出口176送到电路65的输入口178，这个信号在计时信号63的一个单独周期中触发分频电路65的双位计数。从而，计时信号74的相位就超前了一个周期。

因而在一定数的初始周期后，计时信号74就锁住了标准数字信号64的相位，即便是后者有噪声的情况也是如此。

在每一重建—符号间隔中代表最大次数的逻辑值的确定是由图4的方块图中标为80的判断电路完成的。这个电路从输入口81接收接收的数字信号64，从输入口82接收频率为f₂的计时信号74，从输入口83接收频率为2.f₃的计时信号63，并且从输出口84发出重建集合数字信号。

电路80可以由一个在每一符号间隔的开始—即在计时信号74的每一前沿—先清零的计数器构成。这个计数器统计在计时信号63的每一周期中在接收的数字信号64中逻辑电平为“1”的位出现的次数。如果在一个给定符号间隔中对应计时信号63的半个周期的计数超过了q值，对应那个符号间隔，从输出口84发出的重建集合信号的逻辑值置为“1”。如果q计数阈值没有超过，对应那个符号间隔，逻辑“0”就赋与重建集合信号。

对应这种技术的重建集合信号是在发送单元中最适合于再生集合数字信号的信号。

由已知技术做成的辅助信号90的多路复用级把进入端口91的重建集合信号分成n个辅助信号。这个级包括：一个能在重建集合信号的数据流中找出同步字的帧同步电路；一个通过分割信号74并按帧结构排列重建与开始于进入端口92的计时信号74的每一辅助信道相关的频率为f₁的计时信号的电路；和一个能够在帧结构中识别对应各个辅助信道的位，并能把它们分离到输出口的去复用器。

帧同步电路可以由一个状态限制装置构造。

计时信号重建电路可用一个由帧同步电路控制的n个分频器构成。

去复合器可用可编程逻辑器件制成，如，XC3030型，从上述XILINX公司可买到。

输出辅助信号(图中是对应n＝3个辅助信号的情况，即：93，94，95)和各个频率为f₁的计时信号(96，97，98)被分别送到一个由电路107、108、109构成的接口电路100的输入口111，112，113及114，115，116。

对于电路107，108，109，可以用市场上能买到的器件，例如，根据前述标准制造的接口V11或RS422在本方案中为信号提供的是同向定时器。

所描述的这种接收和发送单元可以组装成一个线路终端，它适合于用作光传输线路上的接收和发送站，请参考示意这种线路终端的图6。本发明的光接收单元的第一和第二部分—像图3和4描述的那样制造—被标以120和1 30。重建辅助信号(101，102，103，图中对应n＝3的情况)被送到输出口和过渡开关(141，142，143)上，利用过渡开关，输入到发送单元150(像图1描述的那样制造，其计时信号161，162是直接从单元120、130提取)的信号可以从来自接收单元的信号101，102，103及一系列独立的辅助信号201，202，203中选择。在这种方式中，按照ISO 2110标准提供的“数据终端手册”，由外部控制的阶跃功能可以实现。对于这个数据接口是指：这意味着能控制这个终端以便把反它当作从光纤59接收光信号传向光纤49的线路上的中继器，或当作来自光纤59的光信号接收器和向局部产生的数字信号201，202，203的光纤49的发送器。

所描述的线路终端可以用作沿高衰减光通信线上的光信号的放大和再生。

按照上述的美国专利5,113,459中所示的总图，它尤其可以用作沿光纤通信线的业务信号的双向传输。

依据本发明，一个光通信系统如图7所示，在这个系统中，能提供业务信号的双向传输，它是在不同于通信信号的一个波长信道上沿与所通信信道的传输所用的相同的光纤通信线上进行的。

如图中所示，一个光学类型的通信线路包括一个发射光信号的站1，在这个站中，要传输的信号2通常是以电信号的形式接收并且通过构成线路的光纤3以光信号形式发送出去。

在远离(甚至到几千米)发射站1的光纤3的另一端，有一个接收站4用于接收沿光纤传输的光信号，把它们变成另一种性质的信号，如，电信号，并且把这些信号5送到用户设备(图中未画出)上。

如图7所示，在每一个有源光纤(例如，掺有荧光物质)光放大器8的上游和下游有两个选色耦合器9，所述的耦合器用在公用输入口上接收具有不同波长并且在同一光纤上被复用的通信信号和业务信号及分别在两个外局光纤9a和9b上的输出口分离某种波长的通信信号和另一种不同波长的业务信号，并且也用于发送分别输入到光纤9a，9b的通信信号和业务信到一个单独的外部光纤。

类似的选色耦合器在发射和接收站1，4中也有。

通常业务信号的波长选得与通信信道的波长差别较大会更方便些；在这种情况下，选色耦合器能确保信号之间有最佳的分离。

通信波长通常是包含在1500和1600nm之间，在“第三窗口”区，这是为了在石英玻璃上以最小的光衰减工作，如图6所示；这就如远程通信所要求的那样，能使数据在放大以前以上百Mbit/s的高速在几十或几百千米的距离上传输而保持信号有足够高的电平使最终能正确接收到。

反之，由于本身的特征，业务信号只能以几百kbit/s的低速传输，甚至以低于300kbit/s的速度传输；依照本发明，这些业务信号可以很方便地被产生，波长包含在中心为1300nm的范围内，这位于石英玻璃光衰减曲线上第二个极小值处，称为“第二窗口”。这个范围的宽度取决于所用的线路光纤的具体特性；通常生产的线路光纤的最佳范围是1200到1400nm

每一个选色耦合器9，与各自携带业务信号的输出光纤9b一起接到各自的连接单元10上，通过连接单元，来自耦合器的光业务信号被接收并转换成相应的电输出信号，电信号被转换成具有业务波长的光信号并被送到光纤9b入口以便沿线复用。这个单元可以由图6描述的那种线路终端构成，每一光放大器8处两个线路终端10的使用，使业务信号能沿光通信线3作双向传输。

在这种方式中，一个从选色耦合器9的线路3提取的波长为1300nm的光信号被转换成相应的电信号，它可以用于想用的多种用途，例如，维修人员的业务电话通信或光放大器8的控制等，如图7中的虚线所示，或者用于其它命令或控制；同样，电控制信号或业务电话通信可以被送进到达其它目的地的线路中的光纤3中。

为了使业务信号能沿着含有多个光放大器的光纤到达远离信号发射现场的放大器或终点站，来自与选色耦合器9相连、位于光线路放大器8上游的一个单元10的电信号可以借助过渡开关141被送到与位于光放大器下游的一个二级选色耦合器9相连。一个单元10的输入口，用于沿后续的光纤段发送适当放大了的业务信号，直至到终站或到一个新的光放大器。

在这种方式下，在线路上的每一个光放大器处业务信号是以自容(self-contained)方式被放大，因此可以覆盖达到其目的地所需的全部距离，并且有足够的目标电平。

实验

申请人已制做并实验了与图6所描述的相同类型的线路终端，其中发射和接收单元是按照前面的描述制做的。使用前面指出的器件和参数值作为最佳者，并且计时信号的频率为下列值：

f₁＝64KH₂

f₂＝256KH₂

f₃＝4096KH₂

为了把器件用到实验中，使用了一个模拟高衰减光纤线路情况的光学连接，如图8所示。

依据本发明的两个线路终端被标以200和300，它们包括各自的发送单元(250，350)，过渡开关(240，340)，和由第一部分(220，320)和第二部分(230，330)构成的接收单元。

为了产生频率为64KHz、要被输入到发射单元250的数字测试信号，分析来自接收器220-230的数据并测量其BER，使用了一个数据发生/分析器151，是由ANRITSU corp，5-10-27Minato-ku，Tokyo(TP)生产的MD6420A型。

由发射单元250产生的、波长约为1300nm的光信号被沿着一根单模光纤152传送到线路终端300的接收单元320，一个可调光衰减器153、MN939C型、上述ANRITSU公司生产的，被放在光纤152。

终端300以中继器模式制成，它把发送单元350的输入口接到单元330的输出口。

发送单元350产生的光信号被通过单模光纤152和可调衰减器153送到线路终端200的接收单元，与前面描述的类似。

为了确保两种方式下传输条件的对称性，两个可调衰减器总要作调节以给出相同的衰减系数。

接收单元220的放大器输出的模拟信号是用TDS320型示波器检测的，示波器可以从TEKTRONIXS.P.A.，Via Lampednsa13.Mila(IT)买到。

图9所示的是在可调光衰减器153调节到使接收到的光功率为-50dBm的条件下测得的眼图。

眼图是开的，表示最佳的传输质量，在14小时的观察过程中，没有检测到传输误差，确认了这一点。

传输测试是通过变化可调衰减器的调节量来完成的，所以，光功率的取值将从-56dBm到-61dBm，步长为-1dBm。接收器上检测到的眼图如图10a-10f所示。

可以看到，在接收器光功率为-56dBm时，眼图张开得最好，随着光功率的下降，眼图慢慢闭合，直到接收器光功率为-61dBm，眼图完全闭合。

同时，对应每一光功率的BER值也作了测量。

图11是根据这些测量画出的曲线。y轴是用对数坐标表示的BER值，它取决于x轴上表示的接收器的光功率。

可以看到，对应接收器光功率大于-60dBm的BER值低于10^-5。10^-5是电话通信线的典型BER值(例如，参考“电信网络：协议、建模和分析”)，因此，对通过依据定则A或Mu(CCITT)的PCM编码进行的声音业务通信的传输或是对通过数字编码协议HDLC进行的数据传输，这个值是足够的。此外，还可以看出，10^-9的BER是在接收器光功率仅为-56dBm就出现了，这个光功率低于探测器的标称灵敏值。

Claims

1.数字光通信方法包括的步骤为：

—在光传输站接收第一个携带一段信息的电信号并且对应所述的电信号产生一个预定波长的数字调制光信号；

—把上述的调制光信号送到在上述波长处有预定单一衰减的一个光纤线路上；

—在光接收站接收从所述的光纤线路发出的达到了给定光功率级的调制光信号，把它变成电信号并产生一个第二数字电信号；其特征在于：

—上述的产生一个调制光信号的步骤包括用一系列与上述的信息段相关的基本信息单元编码所述的第一电信号的信息段。所述的信息单元是依照一个第一预定周期时间速率一个接一个地出现，并且，

—上述产生第二数字电信号的步骤包括在变换后的信号中检测具有高于第一周期时间速率的第二周期时间速率的电信号，并且通过把接收到的基本信息单元系列与至少一个参考序列作比较并证实给定条件下比较的结果来在检测的信号中识别以第一时率传输的电信号的相位。

2.依据权利要求1，数字光通信方法的特征在于，所述的第二时率是第一时率的倍数。

3.依据权利要求1，数字光通信方法的特征在于，所述的产生一个调制光信号的步骤包括产生一个具有第二时率的第三数字电信号，它开始于依照一个预定第一时率一个接一个出现的基本信息单元序列。

4.依据权利要求3，数字光通信方法的特征在于，所述的产生调制光信号的步骤包括利用所述的第三数字电信号调制相干辐射源的辐射。

5.依据权利要求3，数字光通信方法的特征在于，所述的产生第三数字电信号的步骤包括对具有第二时率的一个载波进行(相位调制)。

6.依据权利要求1，数字光通信方法的特征在于，所述的把接收到的光信号转换成电信号的步骤包括，检测接收到的光信号，把它变成电信号，滤波电信号和放大经过滤波的信号。

7.依据权利要求1，数字光通信方法的特征在于，所述的参考序列具有第一时率。

8.依据权利要求7，数字光通信方法的特征在于，所述的在检测的信号中识别具有第一时率的电信号的相位的步骤包括：

—产生一个具有第一时率和随机相位的计时信号；

一在具有第一时率的计时信号的每一周期中检定不与计时信号的前沿同时到来的具有第二时率的电信号的前沿；

—用反写法分别统计在所述的第一和第二个半周期中检测到的前沿数；

—累加数个连续的周期中上述的统计计数结果；

—把所述的和数与至少一个预定值作比较；

—对异常值，把计时信号的相位调整到第一时率上。

9.权利要求1的数字光通信方法的特征在于，产生第二电信号的步骤包括，在第一时率的每个周期中识别所检测的电信号的基本信息单元序列的一个信息单元。

10.权利要求1的数字光通信方法的特征在于，接收第一电信号的步骤包括，接收预定数量的具有低于第一时率的第三时率的辅助数字电信号并且把它们多路复用以形成一个具有第一时率的数字电信号。

11.权利要求10的数字光通信方法的特征在于，它包括的步骤有，从第二数字电信号中提取第三时率计时信号并且重建与辅助电信号数量相同的数字电信号，这开始于第二数字电信号且是基于具有所述第三时率的计时信号。

12.权利要求1的数字光通信方法的特征在于，所述的预定波长是包括在1200nm和1400nm之间。

13.依据权利要求1，数字光通信方法的特征在于，所述的预定单一衰减值是在0.37dB/km和0.41dB/km之间。

14.数字光通信方法包括下列步骤：

—以差分形式对来自输入口的具有第一时率的一个数字电信号编码；

—用上述的编码信号调制具有是第一时率倍数的第二时率的载波的相位；

—用上述载波调制以预定波长发射的激光辐射；

—把从激光器发出的信号送到光纤线路的一端；

—在光纤线路的另一端接收上述光信号；

—通过变成电信号来检测光信号；

—放大上述电信号；

—把上述放大后的电信号滤波，以除去超出以上述第二时率为中心的一个频带范围的光谱成分；

—把上述滤过波的信号变换成数字量；

—产生一个具有第二时率的计时信号，它与上述数字化的信号时间相关；

—基于上述的具有第二时率的计时信号，以数字形式对上述信号抽样；

—对抽样信号作差动解调；

—产生一个具有第一时率的重建数字信号；

—把上述重建数字信号送到输出口；

·其特征在于，上述的产生一个具有第一时率的重建数字信号的操作包括下列步骤：

—产生一个具有第一时率和随机相位的计时信号；

—在上述的第一时率计时信号的每个周期中检定上述调制信号的不与计时信号同时到来的前沿；

—用反写法分别统计在上述的第一和第二个半周期中检定的前沿数；

—在数个连续周期中累加上述的统计计数结果；

—把上述和数与至少一个预定值作比较；

—对异常值依据第一时率调整上述计时信号的相位；

15.光通信系统包括：

—一个光发送站，用于接收具有第一频率的第一电信号及产生一个对应第一电信号的调制光信号，这个光信号有一个预定的波长；

—一个光接收站，用于接收上述调制光信号并产生一个具有第一频率的第二电信号，其中有把上述光信号转换成电信号的装置；

—一个通过光信号的传输把上述发送站和接收站连在一起的光纤线路；

其特征在于：

—上述发送站包括对具有大于第一频率的第二频率的第一电信号的调制装置。

—上述接收站包括：

·含有预定灵敏度光探测器的探测电路，用于以上述光信号产生第三电信号；

·一个解调电路，包括：

*用于识别上述第三电信号的相位的识别电路，及

*一个由上述识别电路控制的判断电路，用于产生具有第一频率的第二电信号，其中位误差率(BER)优于10^-5，进入光接收站的光信号功率低于一个比预定灵敏度的预定光功率。

16.依据权利要求15，光通信系统的特征在于，上述的预定波长包括在1200和1400nm之间。

17.依据权利要求15，光通信系统的特征在于，上述预定光功率至少低于预定灵敏值6dBm。

18.依据权利要求15，光通信系统的特征在于，所述的第一频率不小于200kHz。

19.依据权利要求15，光通信系统的特征在于，所述的第二频率是第一频率的倍数。

20.光通信系统包括，至少一个通信信号发射站和一个通信信号接收站，一个连接上述发射和接收站的光纤线路和至少一个光放大器，让光业务信号进入到线路上的光纤的装置和从线路上的光纤中提取光业务信号的装置，这意味着包括至少一个光业务信号发射和/或接收单元，这个单元用于从光线路上接收和/或向同一线路上发射业务信号，这些业务信号是由以电方式加到或从单元本身提取的光形式的通信或控制信号构成的，这些光信号有明显不同于通信信号波长的业务波长，这个单元是与沿线上接入的一个有关的光耦合器相连，这个耦合器用于在线路光纤内部耦合光业务信号和/或从后者提取上述信号，至少一个送入或提取光业务信号的装置是与至少一个光放大器相连，其特征在于，这个光信号发射和/或接收单元包括：

·一个光发射站，用于接收所述的通信或控制信号，产生一个含有所述的通信或控制信号并且有所述的业务波长的调制光信号，并且把所述的光信号送到各自相关的光耦合器；

—一个光接收站，用于接收具有业务波长的来自各自相关耦合器的光信号并产生所述电的通信或控制信号，这个站有把所述的接收到的光信号变成电信号的装置；

其中所述的光发射站包括：

—产生一个含有所述的通信或控制信号、具有第一频率的第一电信号，其中所述的光接收站包括：

—一个含有用于以接收到的光信号产生第二电信号的光探测器的探测电路；

—一个解调电路，包括：

*一个识别第二电信号相位的识别电路；

*一个由识别电路控制的判断电路，用于产生具有第一频率的第三电信号，这个第三电信号含有加于发射和/或接收单元的通信或控制信号；

*一个分离电路，用于产生所述的加到发射和或接收单元的电通信或控制信号，这是从所述的第三电信号开始。